采用变频热泵的毛细管辐射房间的工程测试

谢依宁 梁珍 于海涛

1东华大学环境科学与工程学院

2昆山开思拓空调技术有限公司

0 引言

毛细管辐射末端是一种高效空调末端技术，该系统利用水为媒介，把毛细管网置于建筑物结构层内，通过建筑构件和室内空气之间的温差向室内辐射能量而达到室内制冷采暖的目的。该系统的优点是无噪音，无风感，冷热均匀[1-2]，同时避免了传统空调系统中病菌通过风道的交叉感染。

目前关于毛细管辐射系统的研究主要集中在冬夏季：顾皓、李永安等[3]在冬季工况下对室内舒适度进行了测试研究。陈阳、刘光等[4]针对夏季工况进行了一系列测试研究。作者发现对于过渡季节的研究很少，田盼雨、王浩等[5]虽进行了全年的研究，但只针对热泵热力性能，却未提到末端使用毛细管网。本文的研究针对室外温度在10～18℃的气候条件下，该气候条件需要供暖，但属于负荷较小，采用定频热泵则启停频繁的季节[6-7]。文章测试分析了一个采用变频热泵以及置换新风系统的毛细管辐射系统，研究采用变频特性。

1 测试工程概述

1.1 建筑概述

本工程位于江苏省昆山市的某住宅区,该户型的总建筑面积为240m2，单层。空调面积207m2。外墙体表面太阳吸收系数ρ=0.72，传热热阻R=0.834m2·K/W，热惰性指标D=2.703。选取公寓朝南主卧为测试房间，尺寸为3760mm（W）×4540mm（L）×2680mm（H）+2140mm（L）×1520mm（W）×2680mm（H）。户型平面图见图1（左下粗边框区域为测试房间）。

图1 户型平面图

1.2 空调系统概述

该公寓选用一台变频风冷热泵承担冬、夏季的全部冷、热负荷。冬季机组可提供35℃的热水，夏季可提供17℃的冷水。选用新风除湿机为房间提供洁净的新风，并承担夏季除湿任务，保持空调房间的适宜湿度。房间设置顶面毛细管辐射冷暖系统和地面毛细管冷暖系统，保持房间的舒适温度。选用德国进口的Clina毛细管网，型号为SB20。规格根据各房间负荷和进深确定，测试房间顶板与地面均有布置，侧墙未布置。顶板布置面积为11.25m2，地面布置面积为17.75m2。房间内设置控制面板，毛细管上敷设温度探头，温控器控制毛细管水路上电磁阀的通断，以实现每个房间的独立控制。另控制面板通过对房间露点温度的测量，实时比较露点温度与毛细管温度，一旦有结露危险，断开毛细管供水，实现0结露的可能。

2 测试方法与仪器

2.1 实验仪器

表1为实验所用设备。

表1 实验设备表

2.2 测试方法

测试时间为2017年4月12日。利用两台黑球温度计记录室内空气温度。使用红外线测温仪对地板，顶面以及进出水管温度进行测量。在顶板均分别取9点，地面取11个点。每个测点进行多次测量，以确保测量数据的可靠性，且尽量减小人为测量误差。分析毛细管系统在两种工况的启动时间。采用热线风速仪对距地0.1m对应人体脚踝部位的11个点，距地0.7m对应坐姿人体的呼吸部位的11个点，距地1.7m对应站姿人体的头部的11个点进行温度的测量。

3 数据采集及其分析

3.1 变频热泵对房间毛细管管内水温的影响

4月12日上午十点开始数据采集，此时毛细管水温设定在35℃，除湿新风机设定在18℃，当日气温11～16℃。地面的11个测点和顶板的9个测点，位置如图2所示：

图2 测点布置图

设备启动开始对这11个点和热泵出水温度每隔15 min测量一次，当水温上升速度开始变得缓慢，测量的间隔时间更改为30 min。整个测量时间从早晨10:00持续到下午16:00。表3和表4是在不同时间下热泵供水温度以及地板、顶板表面测点温度变化图。

图3 地面测点温度变化图

图4 顶板测点温度变化图

从图3～4可以看到设备启动近30min后变频热泵的供水温度从初始温度17.2℃升到了28.2℃，大约10℃的温差。之后随着时间的推移温度继续缓缓上升，直到经过了大约3h水温达到35℃并趋于稳定，且不再出现大幅度的波动。变频热泵刚启动时，采用低频启动，然后很快在低频状态转入高频状态，一段时间后即可达到设定供水温度，之后，压缩机在长时间处于低频工作范围内，机组的功率降到最小以保持室温。而铺满毛细管网的顶板和地板表面温度也随着水温的上升而缓缓上升，最后趋于稳定不变。正是因为变频热泵压缩机的性能可根据需求进行调节，从而降低能耗并保持稳定的温度这一特点使其更加适用于向毛细管网末端供水。

3.2 变频热泵对室内温度的影响

随着变频热泵供水温度的逐渐上升，将距地0.1m对应人体脚踝部位的11个点，距地0.7m对应坐姿人体的呼吸部位的11个点，距地1.7m对应站姿人体的头部的11个点温度趋于稳定时的测量值汇总在图5中。

图8 距地三个高度的温度分布

待变频热泵水温达到设定值35℃后，室内温度也开始基本稳定不变，始终保持在22℃左右，且波动较小，满足室内的设计温度20±2℃。同时，由于测试房间的顶板和地面都满铺了毛细管网，因此不存在“上热下冷”的情况，竖直方向上的温差都没有超过0.5℃,不存在温度梯度的影响，完全满足热舒适性方面的要求。另外，该项目的冬季室内设计温度为18℃，由于毛细管系统强化了室内的辐射换热后，室内的实际温度——特别是人的呼吸区空气温度始终保持在22℃左右。这就为降低设计温度、减少热负荷、节约能源提供了空间。变频热泵在不停止压缩机工作状态下，通过调整压缩机的转速调节水温，从而创造出温度变化不大的舒适环境。

4 结论

1）相较于无法调整频率而在启动-停止操作中运行，从而水温不断上下变化的定频热泵来说，可根据具体需求调节运行频率从而得到稳定水温的变频压缩机更加适用于毛细管末端。

2）冬季供回水温度设置为35℃/32℃时，变频热泵提供的稳定水温使得毛细管系统可以维持室内较高的舒适度。室内温度始终保持在22℃左右，且波动很小。

3）本次测试中使用的这台变频风冷热泵属于辐射新风一体机，虽然集成度相对市面上其他机器来说很高。但由于各方面技术不太成熟的原因，噪音测试的结果不太理想。尤其是靠近放置机组的卧室会受到一定的影响。

4）在测试过程中确实发现为处理房间负荷而不断上升的水温温度变化较慢，前后将近用了3h达到至设定温度。另外室外温度并不低，属于过渡季节的制热工况。笔者考虑到可能会出现冬季工况时室外气温极低的影响可能会出现机组响应速度更加慢，水温升地更慢的情况。因此这台热泵的动态响应偏慢。